Degradasi Fotokatalitik Tingkat Tinggi Oxytetracycline oleh Nanokomposit WO3/Grafena dan Analisis Perangkat Mekanisme Doping Terinduksi Cahaya
Abstrak
WO3 yang terintegrasi dengan grafena (GR) telah muncul sebagai fotokatalis yang sangat efektif untuk berbagai aplikasi. Namun, jalur tepat transfer pembawa muatan selama fotokatalisis masih sulit dipahami karena interaksi antarmuka yang kompleks. Dalam studi ini, kami memintaskan film berlapis WO3/GR dan mengkarakterisinya dengan teknik Raman, UV–vis, dan SEM. Hasilnya menunjukkan bahwa grafena yang di-dop p secara signifikan meningkatkan sifat struktural dan optik komposit WO3/GR. Aktivitas fotokatalitik dievaluasi melalui degradasi antibiotik oksitetrasiklin yang diubah UV. Volametri siklik mengungkapkan fotolistrik yang lebih tinggi dan resistensi impedansi yang lebih besar untuk film WO3/GR yang tumbuh langsung pada folium tembaga, berbeda dengan katalis WO3 konvensional. Untuk menyelidiki mekanisme yang mendasarinya, kami memintaskan perangkat luas WO3/GR pada substrat silikon melalui proses CVD yang dimodifikasi dan membandingkannya dengan perangkat referensi WO3. Doping terinduksi cahaya terlihat dari pengukuran arus–tegangan, di mana fotolistrik lebih rendah dari arus gelap dan resistensi foto melebihi resistensi gelap—perilaku yang sangat berbeda dari WO3 murni. karya ini menetapkan kerangka kerja baru untuk menganalisis transfer muatan dalam fotokatalis WO3/GR dan memberikan wawasan tentang performa unggulnya.
Pendahuluan
Memanfaatkan energi matahari untuk produksi listrik bersih, terutama melalui pembagian air fotokatalitik, telah menjadi sumbu teknologi berkelanjutan. Fotokatalis hemat biaya dan efisien seperti WO3 dan TiO2 telah menarik perhatian signifikan. Pembentukan komposit semiconductor—terutama yang menyertakan grafena—menawarkan jalur yang menjanjikan untuk meningkatkan pemisahan pembawa muatan dan sehingga meningkatkan efisiensi fotokatalitik. Jaringan lebah madu dua dimensi unik grafena memberikan kekuatan mekanis luar biasa, konduktivitas listrik, dan stabilitas kimia, menjadikannya pasangan ideal untuk semiconductor oksida.
Laporan terbaru telah menyoroti hibrida WO3/GR sebagai fotokatalis terdepan untuk pembagian air dan degradasi polutan, yang dikaitkan dengan resistensi terhadap fotokorosi dan transportasi elektron yang efisien. Penelitian luas telah menjelajahi mekanisme dengan cara grafena meningkatkan performa WO3, termasuk perilaku penerima elektron yang menekan rekombinasi elektron–lubang dan pembentukan heterojunt Z-scheme yang memfasilitasi aktivitas cahaya terlihat.
Meskipun studi ini memberikan wawasan yang berharga, dinamika tepat transfer muatan yang dihasilkan cahaya dalam WO3/GR masih tidak sepenuhnya dipahami. Teknik spektroskopi canggih dan pengukuran tingkat perangkat diperlukan untuk membongkar peran doping terinduksi cahaya dan redistribusi muatan antarmuka.
Bagian Eksperimental
Pembuatan Film Film grafena luas ditumbuhkan pada folium Cu melalui depoersi uap kimia menggunakan metana. Grafena dipindahkan ke substrat SiO2/Si dengan menggores Cu dengan larutan Fe(NO3)3 air. Lapisan WO3 50 nm ditetapkan dari serbuk WO3 pada wafer Si yang bersih (SiO2 275 nm) dalam atmosfer argon. Elektroda Cr/Au (5/50 nm) dibuat pola melalui litografi cahaya, depoorsi sinar elektron, dan pelepasan. Film kontrol WO3 tanpa grafena disiapkan secara identik.
Karakterisasi Bandgap ditentukan dari spektra absorpsi UV–vis (Shimadzu UV‑2600). Morfologi dan mikrostruktur diperiksa dengan JEOL JSM‑7600F FE‑SEM. Spektra Raman direkam pada sistem Witec (laser 532 nm) pada daya rendah untuk menghindari kerusakan sampel.
Uji Fotokatalitik Degradasi fotokatalitik oksitetrasiklin (15 mg L−1) dilakukan dalam suspensi 20 mL di bawah iradiasi lampu Hg 250 W (365 nm). Suspensi disejajarkan dalam gelap selama 1 jam sebelum paparan UV selama 160 menit. Absorpsi UV–vis dipantau seiring waktu untuk menilai degradasi.
Pengukuran Elektrokimia Semua uji elektrokimia menggunakan pengaturan tiga elektroda (CHI 604E). WO3/GR/Cu dan WO3/Cu berfungsi sebagai elektroda kerja, dengan foil Pt sebagai lawan dan Ag/AgCl (KCl jenuh) sebagai referensi, dikalibrasi ke RHE. Volametri siklik lurus (0,1 V s−1, +0,20 hingga −0,20 V vs. RHE) dan spektroskopi impedansi (100 kHz–0,1 Hz, overpotensi 40 mV) dilakukan dalam 0,5 M H2SO4. Data difit ke rangkaian Randles yang disederhanakan.
Karakterisasi Optoelektronik Pengukuran fotolistrik dilakukan dalam stasiun sond vakum menggunakan analyzer Agilent 1500 A, dengan lampu UV 253 nm untuk eksitasi UV.
Hasil dan Pembahasan
Karakteristik Film WO3/GR
Gambar 1 mengilustrasikan rute sintesis CVD dan morfologi film yang dihasilkan. Citra SEM (Gambar 1b–1c) menunjukkan permukaan WO3/GR yang seragam dan halus dengan celah retak ~100 nm. Pemetaan elemen (Gambar 1d–1f) mengonfirmasi distribusi homogen W dan O, sementara C terbatas pada daerah retak, menunjukkan grafena berada di bawah lapisan WO3.
Skematik sintesis dan morfologi SEM heterostruktur WO3/GR. a Serbuk WO3 50 nm ditempatkan dalam bahtera seramik yang sama di sisi masuk tungku tabung. b Citra SEM × 60.000 dan c × 5.000. d C e O f W Pemetaan elemen EDX WO3/GR
Spektra Raman (Gambar 2a) menunjukkan puncak D (≈1370 cm−1) dan G (≈1599 cm−1) khas untuk komposit, dengan rasio IG/ID sebesar 1,2—lebih rendah dari rasio 2,0 untuk grafena murni—yang menunjukkan kepadatan cakram yang meningkat akibat pemrosesan suhu tinggi. Pergeseran ke atas puncak G dan puncak 2D (≈2700 cm−1) mengonfirmasi doping tipe-p grafena oleh WO3. Spektra UV–vis (Gambar 2c) menunjukkan penyerapan cahaya terlihat yang ditingkatkan dan bandgap yang menyempit dari 3,88 eV (WO3) ke 3,68 eV (WO3/GR), yang mengindikasikan pemisahan elektron–lubang yang ditingkatkan.
a Spektra Raman sampel yang disiapkan. b Pemetaan puncak G Raman WO3/GR. c Spektra absorpsi UV–vis. d Penentuan bandgap.
Degradasi Antibiotik Oksitetrasiklin
Uji fotokatalitik di bawah iradiasi UV 365 nm menunjukkan bahwa WO3/GR menguraikan oksitetrasiklin lebih cepat dari pada WO3 murni (Gambar 3). Konsentrasi mengikuti kinetika orde pertama tiruan: ln(C/C0) = k t, dengan konstanta laju kWO3 = −0,0045 min−1 dan kWO3/GR = −0,0054 min−1, yang menunjukkan peningkatan 20 %.
a Spektra UV–vis degradasi oksitetrasiklin dengan WO3. b Degradasi dengan WO3/GR. c Plot kinetik.
Perilaku Elektrokimia Material Berlapis
Volametri siklik (Gambar 4a–4b) menunjukkan bahwa WO3/GR/Cu menunjukkan overpotensi yang lebih rendah (−0,08 V) dan fotolistrik yang lebih tinggi (8,5 mA) dibandingkan WO3/Cu (−0,06 V, 4 mA). Spektroskopi impedansi elektrokimia (Gambar 4c–4d) menunjukkan resistensi transfer muatan (Ret) yang lebih rendah untuk WO3/GR, mengonfirmasi transportasi elektron yang lebih efisien di bawah illuminasi UV.
Aplikasi elektrokataliptik material berlapis yang diformulasi CVD WO3/GR dan WO3. a, b Kurva CV. c, d Spektra EIS.
Perilaku Transfer Muatan dari Perangkat Komposit WO3/GR
Pengukuran perangkat (Gambar 5) mengungkapkan bahwa fotolistrik WO3/GR (~106 kali lebih tinggi) masih lebih rendah dari arus gelapnya, sementara resistensi foto melebihi resistensi gelap—ciri khas doping terinduksi cahaya. Sebaliknya, perangkat WO3 murni berperilaku sebagai semiconductor konvensional.
Karakteristik fotolistrik dan resistensi foto WO3/GR versus perangkat WO3.
Analisis struktur band (Gambar 6) mengilustrasikan bahwa foton UV menghasilkan pasangan elektron–lubang dalam WO3; elektron mentransfer ke grafena, yang meninggalkan cakram positif tercharge dalam WO3 yang memodulasi tingkat Fermi grafena. Doping foto ini meningkatkan pemisahan muatan dan menekan rekombinasi, sehingga meningkatkan performa fotokatalitik.
Distribusi muatan dan model rangkaian setara perangkat WO3/GR di bawah illuminasi UV.
Kesimpulan
Film berlapis WO3/GR menunjukkan degradasi fotokatalitik oksitetrasiklin yang unggul di bawah cahaya UV, karena doping tipe-p grafena yang mempromosikan pemisahan muatan. Studi elektrokimia dan perangkat mengonfirmasi doping terinduksi cahaya dan transportasi elektron yang ditingkatkan. Temuan ini memberikan kerangka mekanisme yang jelas untuk merancang fotokatalis berbasis grafena dengan efisiensi yang ditingkatkan.
